径流调蓄设施对洪涝调控作用模拟研究

发布时间：2020-04-29 07:06

【摘要】：近年来,全球气候变化下由极端降雨等诱因导致洪涝过程频发,雨水本身作为资源现如今却变成了一大安全隐患,我国作为水灾害频发的国家之一。因此,解决洪涝问题是中国当下的重大社会需求。调蓄设施作为一种可以减轻洪涝灾害,控制面源污染的重要技术措施已被广泛使用。实践证明,调蓄设施具有显著的社会,环境和经济效益,是三者的有效统一。目前对于调蓄设施的研究主要集中在合理确定适合具体地方调蓄设施的容积和调蓄设施经济效益的研究;为了更深入的了解调蓄设施对于地表径流的影响,从而做到调蓄设施的优化。本文通过模拟分析了调蓄设施的调蓄能力对理想河道的坡度、降雨强度、位置变化的响应规律;同时,选择西咸新区海绵城市建设核心示范区与王茂沟流域对调蓄设施位置排布的优化分析,以期所得结果对城市湖泊对城市内涝灾害的调蓄作用、海绵城市雨水调蓄池理论、流域洪水的削减有所启发。本文主要研究工作和结论如下:1.在西安理工大学开发的 GAST 模型(GPU Accelerated Surface Water Flow and Transport Model)的基础上,耦合了径流调蓄设施模块,通过输入高分辨率地形数据以表征土地利用类型的基本参数的基础上,通过显卡实现加速运算,借助此模型模拟分析影响调蓄设施调蓄能力的因素。2.采用GAST模型模拟分析了调蓄设施对于降雨形成的地表产汇流过程的影响;采用城市雨洪实验平台和已发表研究成果的解析解进行了模型验证;建立“V”型理想流域模型,在此基础分析影响调蓄设施调蓄能力的因素;在本文设计的调蓄设施和降雨工况下,不同调蓄设施类型可缓解最大洪峰流量的1.86%～～15.91%;而调蓄设施的位置变化可减少最大洪峰流量的1.64%～20.29%。并由模拟结果得出:(1)不同类型的调蓄设施对于流域洪水过程的调蓄能力大小影响不同,通过添加径流分水槽的调蓄效果从滞洪流量和调节峰现时间来说效果均优于河道滞洪设施(2)随着设计降雨强度增大,调蓄设施的调蓄能力逐渐增加,(3)当调蓄设施位于整个流域的下游时,其调蓄能力最大,(4)当主河道的坡度越小时,调蓄设施的调蓄能力越强。3.以王茂沟流域的实际地形数据、土地利用数据、降雨数据以及形成洪水时出口断面的流量为基础;采用2012年7月15日降雨场次下形成的实测洪水流量数据与模拟结果进行了对比,以此验证了模型可用于王茂沟流域洪水演进模拟。模拟了两种方案在2012年7月15日场次降雨条件下的洪水演进过程,通过与断面出口处的实测流量进行对比。由此得出在添加调蓄设施的两种方案下,可削减洪峰流量的8.3%和27.5%。4.采用西咸新区海绵城市建设3.68km2核心示范区作为研究区域,根据实测降雨形成的城市内涝面积和积水水深与本文模型模拟的结果进行对比,量化验证本文模型的合理性。根据研究区域的地形高程将区域划分为上、中,下游,并在区域的不同位置处设置了不同面积的湖泊,通过模拟大、中、小三种设计降雨,对比分析了各种工况下的内涝积水总量,内涝积水面积和重度积水面积三种量化数据结果。由此得出研究区域内湖面面积由0.5024km2减少到0.00785km2时,其积水总量峰值增加12.71%～18.21%,重度内涝面积增加11.71%～25.66%;不同位置处的湖泊对区域内涝的影响程度各异,如当降雨重现期为100年、湖泊面积为0.5024km2时,湖泊位于研究汇水面上游、中游、下游处对应的重度内涝面积分别为173460m2、169160m2、162628m2,即当湖泊位于流域下游时的调蓄能力远远高于上游和中游。
【图文】：

山洪泥石流灾害

1.1.1 研究背景水是生命的源泉，是人类生存的基础，，是社会和经济发展的关键，中国是一个缺水的国家，淡水资源总量约28000亿立方米，人均水资源2238.6立方米，大约为世界平均水平的四分之一，是人均水资源最贫穷的国家之一。但由于中国的经济快速发展需要消耗大量的水资源；2002年，全国淡水摄入量约为5497亿立方米，约占世界年用量的13%[1]。水资源十分短缺，但水灾害问题相当严峻。当下我国水资源灾害呈现出南涝北旱现象。我国是受山洪灾害影响大，且频率较高的国家。1957 年，松花江泛滥，黑龙江省受灾人口为 370 万，直接经济损失为 2.4 亿元[5]。相关资料显示：2012 年全国约有 14322处地质灾害，其中包括 10888 处滑坡和 922 起泥石流[6]，研究发现滑坡与泥石流灾害中有很大一部分原因是由流域洪水所引发的[7]。中国有 100 多个受泥石流灾害严重威胁的县级城镇，1000 余个乡镇级城镇[8]。山洪形成的泥石流对人类造成的影响非常大；例如，2010年8 月 8 日，甘肃省舟曲县泥石流灾害造成 1467 人死亡，298 人失踪[9]。2008 年 9 月 24日，汶川暴雨形成了较为严重的区域性泥石流，泥石流冲进县城后，几乎整个县城都被淹没暴雨造成的泥石流导致 42 人死亡和失踪，大约 4000 余人被困[10]。由此发现，由洪水引起的水灾害问题对于社会经济和人员安全会产生巨大的损失。

内涝灾害

预计年增长率增长；这就意味我国在接下来的几十年需要大规模地扩建或是新建城镇来适应经济发展引起的快速城市化。由于经济发展过快，我国城市化进程中存在的洪水风险在一定程度上没能得到足够的重视，出现了重视建筑及地上，轻视生态及地下的现象。大规模的地面硬化必将造成雨水下渗困难，地表径流增加。我国城市的扩张也导致了可以滞蓄洪水的林地和湿地等水域的减少。例如福州市 1989-2010 年间的城市建筑用地面积年平均增长 1.67km2。与之相反，可以用来滞洪和下渗的城市水域，园林地面积分别缩减为原来的 22%和 57.2%[11]。且由于土地资源的限制，城市的扩展可能需要向洪水易发区域推进，比如低洼地带。此外，极端天气可能形成前所未有的降雨，这些都给城市的防洪工作带来极大的挑战。如若城市排涝能力不足，势必造成大规模的洪灾，这将会在很大程度上影响经济发展，甚至将先前取的发展成果毁于一旦。仅在 2012 年，中国就有 184 个城市被洪水淹没。由 7.12 暴雨事件产生的直接经济损失高达 116.4 亿元。据统计，自 2013 年以来，中国平均每年有 180 个城市被淹。2016 年中国长江遭遇了自 1998 年以来最大的一次洪灾，有超过 5 个省份被洪水淹没，其中最严重的武汉市，周累积降雨量大约为560.5mm[12-14]，2016 年，太原、武汉、西安等大约 192 个城市经历严重城市内涝灾害[15-6]。目前，我国城市数目大约有 500 多个，统计发现，其中 2/3 处于洪涝的威胁之下。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU992

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